基于CFD的泥水盾构气垫仓冲刷系统流场特性研究

赵合全

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京210000）

0 引言

随着我国城市化进程的推进，城市轨道交通，市政管路，过江过河隧道等基础设施的需求日益增大，盾构施工的应用越来越广泛[1，2]。泥水盾构作为盾构机的一种，以其良好的地层适应性，广泛用于过江过河隧道的施工[3，4]。其工作原理是将泥浆泵送至开挖仓以平衡水土压力，然后通过泥浆把开挖下来的渣土输运至地面进行分离。但是泥浆携带渣土由开挖仓进入气垫仓后，渣土容易在气垫仓内沉降堆积，导致气垫仓堵塞，施工被迫停止。为预防这种问题，泥水盾构设计时会在气垫仓内配置有冲刷管路，通过冲刷管路来增强气垫仓内流场的流动性能。研究泥水盾构冲刷系统对气垫流场性能的影响有利于高效施工。

泥水盾构冲刷系统属于淹没射流技术的应用，在该领域国内外学者开展过许多研究。郭文思等人[5]利用大涡模拟淹没射流紊动流场进行数值模拟，得到了淹没射流的瞬态流场，分析了淹没射流流场演化过程。Zhang K等[6]利用CFD技术研究了喷射制冷系统中喷射器喷嘴位置对喷射器性能的影响，并得到了给定条件下最佳喷嘴位置。Xu E等人[7]通过CFD数值模拟研究了文丘里喷射器喷嘴结构，对气流诱导的影响，通过实验研究验证了仿真模型的正确性并给出了推荐的操作参数和收敛角。程巍等人[8]模拟了淹没环境下水射流清洗地浸采铀生产井的过程对比了空气和水中水射流状态，探讨水深、出口压力、靶距以及冲击角对淹没射流的影响。陈欣欣等人[9]使用Fluent研究了不同冲击角度射流流场结构和速度分布的影响。但是目前很少有针对泥水盾构冲刷系统的相关研究。本文参照上述学者的研究方式，利用CFD数值模拟技术对气垫仓冲刷系统的流场特性开展研究，帮助施工人员深入了解气垫仓冲刷系统的流场特性，科学高效地利用泥水盾构冲刷系统。

1 数值模拟

1.1 几何模型

根据某工程所用泥水平衡盾构机的图纸，提取气垫仓内的主要冲刷管路和气垫仓的主要形状特征并建立了简化的气垫仓冲刷模型如图1所示；图1中的V代表的是控制冲刷管路的阀门，施工过程中通过控制各个阀的开闭来控制冲刷管理是否关闭，因此本文中以各个阀的名称来命名各个管路。施工过程中总的泥水循环流量由两部分进入气垫仓，一部分通过各冲

刷管路进入气垫仓，另一部分通过先进入开挖仓然后由图1中的进浆口进入气垫仓。

图1 气垫仓冲刷模型

1.2 控制方程

CFD数值模拟的本质是根据边界条件求解质量守恒方程和动量守恒方程[10]，这些控制方程如下。

连续性方程：

动量守恒方程：

式中，ρ是密度，v速度；Sm源项；p静压；压力张量；ρg重力体积力；F外部体积力；μ分子黏性；I单位张量。

1.3 网格及边界条件设置

对气垫仓三维模型进行非结构网格划分，设置全局最大网格尺寸为100 mm，各管路上最大网格尺寸为其直径的1/5；划分完成后总共2 620 037个单元。其网格划分结果如图2所示。根据实际工况设置边界条件为速度入口，压力出口，壁面条件为无滑滑移壁面，重力方向为Y轴负方向、值为9.8 m/s2，选择standard k-epsilon湍流模型，SIMPLE求解算法进行求解。

2 仿真结果分析

2.1 流量对气垫仓流场的影响

现场施工过程中由于气垫仓底部泥团堆积堵塞问题严重，采取增大环流系统的流量尝试以增加气垫仓内泥浆的流速来解决气垫仓堵仓问题。为探究增大流量的实际效果，对总流量为2 000 m3/h，2 500 m3/h，3 000 m3/h，3 500 m3/h时的气垫仓流场进行仿真研究。依据现场施工数据如图2所示，设置冲刷管路的流量占总流量的1/3，其他流量从气垫仓进浆口进入，工作时管路V3/V4以及管路V7关闭，管路V45，V25/26以及V5开启，各入口为速度入口，管路的流量根据在分支处各分支管路的面积比分配，出口边界设置为压力出口。

提取气垫仓中间平面的速度云图，如图2所示。从图2可以看出受V45冲刷管路的影响在靠近矩形进浆口的流体速度明显大于周围流体速度。图2中的标记区域虽然V25/26冲刷管路的冲刷范围内，但是其速度仍然较小，这是由于V25/26冲刷管路出口分支众多单个出口的流体流速较小，并且自喷嘴射出的射流不断与气垫仓内的低速流体发生动量交换，卷吸带动气垫仓内的低速流体运动，最终在射流在到达中间平面时的速度较小。较小的速度可能使得渣土在此处堆积，最终堵塞气垫仓。增大泥水循环流量能够增大V25/26冲刷管路的射流流速，从而明显增大标记区域的流速。另外可以看出在气垫仓中间平面，随着总流量的增加，气垫仓内的流速总体上也随之增加，气垫仓上端空间的低速区明显减小；说明增大流量能够较好地增强气垫仓内泥浆的流动性能。

图2 不同流量下气垫仓中间平面速度分布

提取各流量下气垫仓内的平均流速，绘制气垫仓内平均流速与流量的关系图，如图3所示。由图3可知气垫仓内泥浆的平均速度随着泥水循环总流量的增大而增大，并且速度增量随着流量的增加也有着轻微的增长，入口流量从2 000 m3/h增加至3 500 m3/h的过程中，气垫仓内泥浆平均速度提高了82.67%。

图3 气垫仓内平均速度与流量关系图

将气垫仓内的流体速度划分 （0，0.1]，（0.1，0.2]，（0.2，0.3]，（0.3，0.4]，（0.4，0.5]，（0.5，0.6]，（0.6，0.8]，（0.8，1]，（1，1.2]，（1.2，1.4]十个速度区间，编写UDF程序提取各流量下，气垫仓内各速度区间内的流体体积并绘制各速度区间内流体体积与流量关系图，如图4所示。

由图4a可知当流量从2 000 m3/h提升至2 500 m3/h时，气垫仓内[0，0.1]速度区间内的流体体积减少了55%，速度区间（0.1，0.2]内的流体体积有着明显的增加，增加了123.6%；（0.2，0.3]速度区间内的流体体积有轻微的增加；而其他速度区间内的流体体积随着流量的增长其增幅逐渐降低。（0.3，1.4]各速度区间内流体体积占比增加了44.5%，流量从2 500 m3/h增长至3 000 m3/h流体体积增幅为32.4%。由图4b可知，Y向速度（与重力方向相反）随着流量的增加有着一定幅度的增加但是增量随着流量的增大而有所减小。当流量从2 000 m3/h增长至2 500 m3/h时（0.1，1.4]各速度区间内流体体积增幅为49.1%，当流量从2 500 m3/h增长至3 000 m3/h时增幅为36.1%，当流量从3 000 m3/h增长至3 500 m3/h时增幅为26.4%。而Y向速度的增大意味着带动泥团向上运动的能力增强。由图4c可知随着流量的增加，Z向速度（由进浆口流向出浆口）的[-0.2，-0.1）低速区间内的流体减少，高速区内流体增多，Z向速度的增大意味着泥浆能快速通过气垫仓则泥浆内黏土的沉降时间会随之减少；Z向速度在[-0.3，-0.2）这个范围的流体体积随着流量的增加先增多后减少，Z向速度在[-0.5，-0.3）范围内的流体随着流量的增大而增多并且增长趋势趋于平坦，Z向速度在[-1.4，-0.5）速度区间内的流体在流量增长至3 000 m3/h的增量基本可以忽略不计，在流量增加至3 500 m3/h时才略有增多。

图4 流体体积与流量关系图

以上现象说明，增大流量能够大气垫仓内的流体流速，总体上气垫仓内流体的速度增加使得低速流体减少，高速流体增多。流场在Y方向对于渣土的提升能力，在Z方向对于渣土的运输能力均有所提升，这对于解决开挖仓泥团淤积问题有一定的效果；但是随着流量的增加，其提升效果逐渐减弱从图4可以看出当流量为2 750 m3/与3 000 m3/h时气垫仓内的速度差距并不大，流量为3 000 m3/h时（0.1，1.4]各速度区间内的流体平均仅为流量为2 500 m3/h时的1.13倍。

2.2 现有冲刷方案优化

现场施工过程中为解决气垫舱黏土淤积问题，采用了增大流量的方法，采用该方法后能一定程度缓解黏土淤积问题，这与仿真的分析一致。但是根据前文的研究结果增大流量的提升效果逐渐减弱，此外过高的流速会导致排浆管路的磨损加剧。为提升气垫仓流场流动性能解决黏土淤积问题，结合前文的仿真结果尝试从不增加流量，更改冲刷方式的角度出发，在原冲刷方案的基础上提出了4种冲刷方案以求改善气垫仓内的流动特性。

原冲刷方案为关闭V3/4，V7冲刷管路，开启V5，V25/26，V45冲刷管路；泥水循环流量为3 000 m3/h。在原冲刷方案的基础上提出如下方案：

方案1：考虑到冲刷管路V5用作对搅拌器的冲刷且方向朝下抑制了底部冲刷管路引起的向上流动，故尝试减少V5管路的工作时间；

方案2：考虑到管路V3在正常工作时处于关闭状态，故尝试将V3开启以增加从管路进入气垫仓的流量；

方案3：同时采用上述两个方案；

方案4：在方案3的基础上尝试关闭阀门V45使得更多的流量进入底部冲刷管路V25/V26以增强其冲刷性能。

利用前文的仿真模型对各冲刷方案进行仿真，图5为各方案中气垫仓内平均速度大小；从图5可以看出四种方案的开挖仓内的平均速度均大于原方案，表明在上述方案均能改善泥水仓内流场的流动性能。这4个方案中方案2的平均速度最低，但是较原方案的平均速度也提升了23.1%，方案4平均速度最高较原方案提升了53.6%。而如果使用前文增加流量的方式将入口流量从3 000 m3/h，增加至3 500 m3/h；其气垫仓内的平均值为0.271 4 m/s，仅比原方案增加了20.2%，其对气垫仓内的流场的流动性能的提升效果明显小于现在提出的这四种冲刷方案对流场流动性能的提升效果。故在流量增大到一定程度的情况下，可考虑改变冲刷方案进一步提升气垫仓内流体的流动性能。

图5 各方案下气垫仓内的平均流速

3 结语

本文建立了泥水盾构气垫仓冲刷系统的仿真模型，利用仿真模型研究了泥水循环流量和冲刷方案对气垫仓流场性能的影响。得出以下结论：

（1）自冲刷管路出来的射流与气垫仓内的低速流体发生动量交换，速度会不断降低。可通过增大流量的方式增大其流速，从而改善气垫仓内的流场流动性能。

（2）泥水循环流量不能无限增大，在泥水循环流量增大到一定程度时，可通过改变冲刷方案，使得更多的流量从特定的冲刷管路流出以改善气垫仓内的流场性能。本文所研究泥水盾构的气垫仓冲刷系统，可采用方案4的冲刷方式来大幅提升流场流动性能。